軌道車両用駆動システム及びそれを用いた軌道車両
【課題】電動機でアシストされ、変速機として、前進と後進とで、速度段数と各速度段でのギア比とを等しくするためのギア配列を得るとともに電動機と組み合わせ可能とする軌道車両用の駆動システムを提供する。
【解決手段】エンジン１４の出力を入力軸３０で受ける変速機１５は、前進用ギア列３１及び後進用ギア列３２と、出力軸４５との間に相異なる変速ギア段５１〜５４を有する二つの中間軸４１，４２とを組み合わせて構成されている。第１クラッチ４３又は第２クラッチ４４を選択的にシフト・締結することにより、前進用ギア列３１と後進用ギア列３２のどちらかの回転がいずれかの中間軸４１，４２に伝達される。変速ギア段５１〜５４が選択されると、軌道車両の前進と後進とによらず、同じ速度段数とギア比とが得られる。発電電動機１８によるアシスト力は、差動機構５５から両中間軸４１，４２を通じて出力軸４５に与えられる。
【解決手段】エンジン１４の出力を入力軸３０で受ける変速機１５は、前進用ギア列３１及び後進用ギア列３２と、出力軸４５との間に相異なる変速ギア段５１〜５４を有する二つの中間軸４１，４２とを組み合わせて構成されている。第１クラッチ４３又は第２クラッチ４４を選択的にシフト・締結することにより、前進用ギア列３１と後進用ギア列３２のどちらかの回転がいずれかの中間軸４１，４２に伝達される。変速ギア段５１〜５４が選択されると、軌道車両の前進と後進とによらず、同じ速度段数とギア比とが得られる。発電電動機１８によるアシスト力は、差動機構５５から両中間軸４１，４２を通じて出力軸４５に与えられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、エンジンの回転出力を変速して出力する変速機を備えた軌道車両用駆動システム及びそれを用いた軌道車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
既存の気動車の駆動システムは、ディーゼルエンジンのようなエンジンの出力を変速機（トランスミッション）に入力し、変速機の出力をドライブシャフトを介して車輪に伝達するシステムとして構成されているものがある。このシステムでは、変速はすべて変速機で行われる。一方、別の形態の駆動システムとして、エンジンの出力をすべて発電機に入力し、発電機が出力した電気エネルギーをインバータに入力し、周波数変換して台車に備わるモータを電気的に駆動するシステムが提案されている。エンジンが停止していても、バッテリからの電力によって、モータを運転することができる。この形態の駆動システムでは、減速回生時にインバータからは、フルに又は車両の運転状態に応じて余剰となった電力がバッテリに充電される。
【０００３】
二つの中間軸を持つブリッジ型変速機で入力軸と中間軸の間に後進ギアを設けているものがある（特許文献１参照）。この変速機は、エンジンに接続された変速機入力軸と、変速機出力軸の間に第一，第二の中間軸を設け、該中間軸と入力軸および該中間軸と出力軸の間に変速ギアを配置して、二組の変速ギア比の積で変速比が決まるようにし、さらに両中間軸間に差動装置を接続し、該差動装置の第三軸に電動機を接続して、エンジントルクを一時的にモータに担持させることでアクティブ変速を行うアクティブシフト変速機である。噛合いクラッチの数を増やすことなく、入力軸の変速ギアを解放すれば、エンジンを切り離し可能であり、回生制動時のエンジン連れ回し損失を無くすことを図っている。しかしながら、このアクティブシフト変速機は、自動車用のものであるので、後進ギアは一つ（片方）だけである。
【０００４】
また、ツインクラッチ式自動変速機の両クラッチ軸間に電動機を挿入し、電動機のトルクと回転数を制御して滑らかで効率的な変速制御を行うとともに、クリープ制御、アイドルストップ発進制御、Ｒ→Ｄ、Ｄ→Ｒセレクト制御等を実現可能な変速機が提案されている（特許文献２参照）。この提案において、中間軸の片方に固定ブレーキ又は固定クラッチが設けられているものが含まれているが、その目的はエンジン始動用に限られている。
【特許文献１】特開２００５−７６８７５号公報
【特許文献２】ＷＯ０１／６６９７１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
気動車のような軌道車両では、自動車（前進第１〜４速、後進Ｒ）とは異なり、前進と後進とは同じ変速環境で作動しなければならない。即ち、気動車は、車両の編成は変わらずに、上りを走行するときと下りを走行するときとでは、前進・後進を同じ速度段で変速できなければならないという要請がある。そこで、電動機でアシストをする軌道車両用の駆動システムにおいては、変速機として、前進と後進とで、速度段数と各速度段でのギア比とを等しくするためのギア配列を得るとともに電動機と組み合わせ可能とする点で解決すべき課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明による軌道車両用駆動システムは、エンジン、及び当該エンジンの回転出力を変速して出力する変速機を備え、当該変速機の出力軸の回転が軌道車両の駆動輪に伝達される軌道車両用駆動システムであって、前記変速機は、前記入力軸と並列に設けられた第１中間軸及び第２中間軸、前記第１中間軸又は第２中間軸と前記出力軸との間に噛み合って設けられており選択的に動力伝達が行われる複数組の変速ギア段、及び前記入力軸と前記両中間軸との間に設けられていて前記入力軸の回転を選択的に伝達する前進用ギア列及び後進用ギア列を備え、前記前進用ギア列又は前記後進用ギア列の選択と複数組の前記変速ギア段の選択との組合せで得られる速度段数が前進と後進とで等しくなっており、インバータを介してバッテリとの間で電力を出し入れする発電電動機を備え、前記発電電動機は、前記変速機に備わる前記第１中間軸及び／又は前記第２中間軸との間で回転力を授受することを特徴とする。
【０００７】
この発明による軌道車両用駆動システムによれば、変速機が出力軸との間に相異なる変速ギア段を有する二つの中間軸と、前進用ギア列及び後進用ギア列とを組み合わせているので、軌道車両の前進と後進とによらず、同じ速度段数とギア比とが得られる。しかも、発電電動機によるアシスト回転力は、変速機を通じて出力軸に与えられる。更に、変速機の出力の一部又は全部の入力を受けて発電する発電電動機を備えることで、当該駆動システムは、鉄道車両の駆動輪にはエンジンからの動力と発電電動機からの電動機出力とが選択的に伝達されるハイブリッド駆動システムに構成され、エンジンの余剰動力を発電に用いて電気エネルギーとして貯えることができ、更に、軌道車両の制動時に発電することで運動エネルギーを回生エネルギーとして回収することができ、省エネルギーに貢献することができる。
【０００８】
この軌道車両用駆動システムにおいて、前記電動機と前記第１中間軸及び前記第２中間軸との間に差動機構を介在させ、前記差動機構の差動出力軸に前記発電電動機を接続することができる。電動機によるアシスト回転力が第１中間軸又は第２中間軸を通じて出力軸に与えられ、第１中間軸と第２中間軸との間に速度差が生じるときには、差動機構によって吸収することができる。
【０００９】
この軌道車両用駆動システムにおいて、前記差動機構には前記第１及び第２中間軸の少なくとも一方との間で複数のギアから成る接続ギア列を直列配置し、前記接続ギア列の当該ギアの回転を拘束する固定クラッチを設けることができる。差動機構に直列に配置した接続ギア列の当該ギアの回転を拘束する固定クラッチを設けることで、両中間軸のうち差動機構を介さないで接続される一方の中間軸の回転が停止され、発電電動機を電動機として作動させて発進するときのモータ発進や、発電電動機を発電機として作動させるときの発電時に、制御の容易さと発電効率を高めることができる。
【００１０】
この軌道車両用駆動システムにおいて、前記電動機は前記変速機と別体に前記車体に取り付けられており、前記差動機構の前記電動機への接続軸は前記変速機の外部に取り出されており、前記接続軸と前記電動機との間を可撓性継ぎ手を介して連結することができる。軌道車両用駆動システムに用いられる機器は、保守点検作業の一環として、一定の周期でメンテナンスをする必要がある。発電電動機は比較的完成された機器であり且つ摺動摩耗する部分が殆ど無い。それと比較して変速機は歯車の噛み合いやクラッチの摺接を用いる機器であるので、摩耗に起因した部品交換や摩耗粉除去等に必要なメンテナンス周期が短い。発電電動機が変速機と別体に前記車体に取り付けられている場合には、こうしたメンテナンス周期の違いによって、発電電動機と変速機とを車両本体から取り外す時期が異なる。これに対応するため、発電電動機と変速機との間をユニバーサルジョイント或いは撓み継ぎ手等の可撓性継ぎ手を介して連結されている。こうした継手構造によって、変速機と電動機を別体にして電動機を変速機の後方に設置することができ、発電電動機と変速機との車体からの取外しや再取付け、或いは互いの分離と再接続の作業が容易に且つ効率的に行うことができる。
【００１１】
ハイブリッド駆動システムに構成された上記の軌道車両用駆動システムにおいて、車両停車時及び惰行時など前記エンジンが車両牽引力として使われていないとき、前記変速ギア段のすべてを開放するとともに、前記固定クラッチを締結し、前記接続ギア列が直接接続されていない方の前記中間軸に配置された前記前進用ギア列及び後進用ギア列のいずれか一方を選択的に締結し、前記エンジンの出力を前記差動機構を介して前記発電電動機に伝達して発電することができる。このように構成することで、車両停車時及び惰行時などのエンジンが車両牽引力として使われていないときには、エンジンの出力はどの変速ギア段にも伝達されることなく差動機構を介して発電電動機に伝達され、発電電動機において発電を行うことができる。
【００１２】
ハイブリッド駆動システムに構成された上記の軌道車両用駆動システムにおいて、前記変速ギア段のいずれか一つが締結されて走行中に、該変速ギア段が接続されていない方の前記中間軸に配置された他の前記変速ギア段の一つを締結し、前記差動機構により前記第１中間軸と前記第２中間軸の回転差を前記発電電動機に伝えて発電することができる。このように構成することで、エンジンの駆動力がどれかの変速ギア段を介して車両牽引力として使われていても、他方の中間軸に配置されている他の前記変速ギア段の一つを締結することで、差動機構によって第１中間軸と前記第２中間軸の回転差を発電電動機に伝達して、発電電動機において発電を行うことができる。
【００１３】
ハイブリッド駆動システムに構成された上記の軌道車両用駆動システムにおいて、前記接続ギア列が直接接続されていない方の前記中間軸に配置された前記変速ギア段のいずれか一つが締結されて走行中に、前記接続ギア列が直接接続されている方の前記中間軸に配置された前記変速ギア段のすべてを開放するとともに、前記固定クラッチを締結し、前記差動機構により前記第１中間軸と前記第２中間軸の回転差を前記発電電動機に伝えて発電することができる。このように構成することで、軌道車両の慣性による出力軸から取り込まれる回転力は、締結されている変速ギア段を介しての一方の中間軸を回転させ、固定クラッチの締結によって回転が停止されている他方の中間軸の回転差が発電電動機に伝達されるので、軌道車両の運動エネルギーを回生することでブレーキをかける回生制動を行うことができる。
【００１４】
差動機構を備えた上記の軌道車両用駆動システムにおいて、前記変速ギア段のいずれか一つが締結されているとき、該変速ギア段が接続されていない方の前記中間軸に配置された他の前記変速ギア段の一つを締結し、前記電動機の発生する動力を前記差動機構により前記第１中間軸と前記第２中間軸に伝えて走行することができる。このように構成することで、電動機が発生する動力は各中間軸において締結されている変速ギア段を介して出力軸に伝達され、電動機による発進を行うことができる。差動機構は両中間軸の変速ギア段からの回転数差を吸収することができる。この場合、締結する変速ギア段については、モータ回転数、必要車両性能に依存するため、例えば第１変速ギア段とすればよい。
【００１５】
差動機構を備えた上記の軌道車両用駆動システムにおいて、前記接続ギア列が直接接続されていない方の前記中間軸に配置された前記変速ギア段のいずれか一つが締結されているとき、前記接続ギア列が直接接続されている方の前記中間軸に配置された前記変速ギア段のすべてを開放するとともに、前記固定クラッチを締結し、前記電動機の発生する動力を前記差動機構により前記第１中間軸と前記第２中間軸に伝えて走行することができる。このように構成することで、電動機が発生する動力は、差動機構から締結されている変速ギア段を介して出力軸に伝達される。このとき、固定クラッチを締結させておくことにより、差動機構の固定クラッチ側は回転停止とされ、電動機の出力を効率良く出力軸に伝達することができる。この場合、締結する変速ギア段については、モータ回転数、必要車両性能に依存するため、例えば第２変速ギア段とすればよい。
【００１６】
この発明は、この軌道車両用駆動システムを備え、当該軌道車両用駆動システムの出力で駆動輪を駆動することを特徴とする軌道車両とすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
この発明による軌道車両用駆動システムは上記のように構成されているので、次のような効果を奏する。即ち、アシスト用に用いている発電電動機による単独走行が可能で、エンジン騒音を低減することができる。変速時にクラッチの同期を取り且つトルク中断無しに変速するので、従来の気動車より変速時のショックを軽減でき、車両間の衝動も軽減できることから乗心地が向上する。また、トルク中断がないことから加速性能も向上する。また、流体変速機を介さずに駆動でき、摩擦クラッチが無く、遊休クラッチの連れ回りも無いことから、駆動効率が高く且つ燃費が向上するとともに、潤滑油量が少なくて済み発熱も少ないため、潤滑油の冷却装置等が不要でイニシャルコストを低減でき、省メンテナンスである。更に、変速機については発電電動機を取り付けるための剛性を上げる必要もないのでイニシャルコストを低減できる。更に、変速機と発電電動機とを別設置とすることで、配置自由度が高められ、車両の重量配分をバランスよく設定できる。また更に、変速機と発電電動機を個別にメンテナンスすることが容易となる。
電動機として発電電動機を用いることで、制動エネルギーを電気エネルギーとして回生してバッテリに蓄え、駆動力として使用できることから、従来の気動車よりも駆動性能及び燃費を向上させることができる。また、エネルギーを回収する発電機と動力を発生する電動機が共用できることから、イニシャルコストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、この発明による軌道車両用駆動システムが適用される軌道車両、特に鉄道車両の一例を示す模式図であり、（ａ）は屋根上を示す平面図、（ｂ）は床下の下面に沿った平面で下方を見た図を示す。図１（ａ）に示すように、鉄道車両１の屋根２の上には、駆動用バッテリ１０と駆動用バッテリリアクトル１１とが設けられている。
【００１９】
図１（ｂ）に示すように、鉄道車両１を支えるとともに、軌道（線路）を走行可能な車輪５と減速機６とを備えた台車４，４が配置されており、鉄道車両１の床３下には、以下に掲げる各種機器が吊り下げる態様で設けられている。即ち、軽油等の燃料を貯蔵して供給源となっている燃料タンク１３、燃料タンク１３から燃料の供給を受けて駆動されるディーゼルエンジンのような内燃機関からなるエンジン１４、エンジン１４に近接配置されておりエンジン１４の回転出力を受けて当該回転出力をプロペラシャフト１６に変速して出力する変速機（アクティブシフトトランスミッション）１５、屋根２上の駆動用バッテリ１０からの電力が入力されるインバータ１７、インバータ１７で周波数変換された交流電力の供給を受け且つ場合によってはエンジン１４からの動力を受けて発電機として機能する発電電動機１８が、床３の下に吊り下げ支持されている。図１（ｂ）に示すように、鉄道車両１の床３上には、駆動用バッテリ１０と後述する発電電動機１８との間で電流の流れを断つ断流器１２が設置されている。
【００２０】
変速機１５の変速出力は、一方の台車（駆動台車）４に設けられている減速機６に推進軸（プロペラシャフト）１６を介して伝達される。床３の下面には、更に、エンジン制御器１９、変速機制御器２０、制御用バッテリ２１、ラジエータ２２が吊り下げ支持されている。
【００２１】
図２は、図１に示す軌道車両の軌道車両用駆動システムにおける発電電動機及び変速機と両者間の接続構造の一例を示す上面図（ａ）と側面図（ｂ）である。発電電動機１８と変速機１５とのメンテナンス周期のずれによって、発電電動機１８と変速機１５とを車両本体から取り外す時期が異なるので、発電電動機１８と変速機１５の接続軸（後述する）とは撓み継ぎ手２５を介して連結されている。撓み継ぎ手２５を用いて両者を連結しているので、発電電動機１８と変速機１５との一方のみを車体から取り外す場合、及び再び車体に取り付ける場合に、接続する軸間で傾斜が許容されて完全にアライメントしていなくてもよくなるので、取り外し・取り付け作業を容易に且つ効率的に行うことが可能になる。なお、撓み継ぎ手２５に代えてユニバーサルジョイントを用いることも可能である。
【００２２】
図３は、図１に示す軌道車両の軌道車両用駆動システムにおける変速機の構造を模式的に示す図である。変速機１５には、エンジン１４の出力軸２９は、変速機１５の入力軸３０に直結されており、エンジン１４からの回転出力が直接に変速機に入力される。入力軸３０には、前進用ギア列３１と後進用ギア列３２が並列に配置されており、入力軸３０が回転駆動されている状態では、両ギア列３１，３２は常に駆動されている。前進用ギア列３１は、入力軸３０に連結された入力ギア３３、入力ギア３３と噛み合う第１ギア３４及び第２ギア３５を備えている。後進用ギア列３２は、入力軸３０に連結された入力ギア３６、入力ギア３６にそれぞれ噛み合う仕様が同じな反転ギア３７，３８、反転ギア３７，３８にそれぞれ噛み合う第３ギア３９及び第４ギア４０を備えている。
【００２３】
入力軸３０に並行に、第１中間軸４１と第２中間軸４２とが配置されている。第１ギア３４と第３ギア３９とは第１中間軸４１に相対回転可能に嵌合しており、第２ギア３５と第４ギア４０とは第２中間軸４２に相対回転可能に嵌合している。第１中間軸４１と第２中間軸４２とには、前進用ギア列３１と後進用ギア列３２との間において、それぞれ、選択的にシフト可能な第１クラッチ４３と第２クラッチ４４とが配設されている。したがって、第１中間軸４１には第１クラッチ４３の選択的なシフトによって当該クラッチ４３が締結した側のギア（３４又は３９）から前進回転又は後進回転が与えられ、第２中間軸４２には第２クラッチ４４の選択的なシフトによって当該クラッチ４４が締結した側のギア（３５又は４０）から前進回転又は後進回転が与えられる。
【００２４】
第１中間軸４１と第２中間軸４２と並行に、出力軸４５が配置されている。第１中間軸４１と出力軸４５との間には第１変速ギア段５１と第３変速ギア段５３が配設されており、第２中間軸４２と出力軸４５との間には第２変速ギア段５２と第４変速ギア段５４が配設されている。各変速ギア段５１〜５４においては、予め定められた変速比で出力軸４５に回転出力を生じさせるために、相異なるギア径（歯数）が定められている。また、各変速ギア段５１〜５４において、中間軸４１，４２上に配置されているギアは中間軸４１，４２に対して相対回転自在であるが、出力軸４５に配置されているギアは出力軸４５に固定されている。
【００２５】
第１中間軸４１上において、第１変速ギア段５１と第３変速ギア段５３との間には選択的にシフト可能な第３クラッチ４６が配設されている。また、第２中間軸４２上において、第２変速ギア段５２と第４変速ギア段５４との間には選択的にシフト可能な第４クラッチ４７が配設されている。
【００２６】
上記の変速ギア段の構成によって、第１クラッチ４３を前進用ギア列３１側にシフトした状態で、第３クラッチ４６を第１変速ギア段５１側にシフトするときには入力軸３０の回転は第１中間軸４１及び第１変速ギア段５１を介して出力軸４５に第１変速段で出力され、第３クラッチ４６を第３変速ギア段５３側にシフトするときには入力軸３０の回転は第１中間軸４１及び第３変速ギア段５３を介して出力軸４５に第３変速段で出力される。このとき、第２クラッチ４４は中立位置に置かれる。また、第２クラッチ４４を前進用ギア列３１側にシフトした状態で、第４クラッチ４７を第２変速ギア段５２側にシフトするときには入力軸３０の回転は第２中間軸４２及び第２変速ギア段５２を介して出力軸４５に第２変速段で出力され、第４クラッチ４７を第４変速ギア段５４側にシフトするときには入力軸３０の回転は第２中間軸４２及び第４変速ギア段５４を介して出力軸４５に第４変速段で出力される。このとき、第１クラッチ４３は中立位置に置かれる。
【００２７】
第１クラッチ４３、第２クラッチ４４、第３クラッチ４６及び第４クラッチ４７は、ドグクラッチとして構成されている。各中間軸とスプライン係合しているスリーブをシフタによって中間軸の軸線と並行な方向にシフトさせることにより、各ギアに設けられているドグ歯への締結が可能である。
【００２８】
第１クラッチ４３又は第２クラッチ４４を後進用ギア列３２側にシフトしたときには、第３クラッチ４６又は第４クラッチ４７の選択的なシフトによって、後進の場合でも同じ変速段が得られる。軌道車両の場合には、進行方向が前進と後進の場合があるが、自動車の場合のような後進１速のみというような制約はなく、どちらの進行方向であっても、同じ変速段が要求されるので、本変速機１５はこうした要求に応えることができる。また、各変速ギア段で走行中に機関ブレーキ信号が入力された際に、エンジン１４をアイドル状態として機関ブレーキをかけることができる。
【００２９】
第２中間軸４２の端部には差動機構５５が配設されており、差動機構５５のリングギア５６と噛み合う取り出しギア５７の取り出し軸５８は発電電動機１８に接続されている。第１中間軸４１と差動機構５５との間には接続ギア列６０と固定クラッチ６１とが配設されている。接続ギア列６０は、第１中間軸４１側に直接接続されている接続ギア列部６０ａと、第２中間軸４２に直接接続されてはいないが差動機構５５を介して間接的に接続されている接続ギア列部６０ｂとを備えている。
【００３０】
車両の運転モードに応じた変速機１５の使用状態について、以下説明する。
［停車状態］ 停車状態では、第３クラッチ４６を第１変速ギア段５１に係合させるのみとし、他のクラッチは開放する。発電電動機１８の出力は無しとされる。エンジン１４は、補機の必要性に応じてのみ運転する。
【００３１】
［惰行状態］ 惰行状態では、第１クラッチ４３及び第２クラッチ４４を共に前進用ギア列３１（又は車両の走行方向が後進であるときには、後進用ギア列３２）側にシフトする。発電電動機１８の出力は無しとされる。エンジン１４はアイドル状態である。
【００３２】
停車時における発電及びバッテリ暖機運転並びに惰行時における発電について図４を参照して説明する。
［停車発電］ 停車発電では、第１クラッチ４３を中立位置とし、第２クラッチ４４を前進（又は後進）用ギア列３１（又は３２）側にシフトする。各変速ギア段５１〜５４は中立位置を占める。固定クラッチ６１を締結状態とすることで、差動機構５５の反第２中間軸側（即ち、第１中間軸４１）が回転しないようにして、エンジン１４の出力を、第２中間軸４２、差動機構５５の取り出しギア５７及び取り出し軸５８を介して発電電動機１８に出力する。惰行発電についても同等の状態である。また、バッテリ１０、２１等の温度が０℃以下のような場合において、バッテリを加温する暖機運転の場合も同等の状態である。
【００３３】
力行時における発電について図５を参照して説明する。
［力行発電］ 車両がエンジン１４の出力で力行をしつつその出力の一部で発電を行うモードである。第１変速段〜第４変速段については、上記のとおり第３クラッチ４６又は第４クラッチ４７による各変速ギア段５１〜５４の選択的なシフト・締結が行われる。第１変速段又は第３変速段で走行する場合には第１中間軸４１が動力伝達経路として用いられている。固定クラッチ６１は開放されているので、第１中間軸４１の回転が接続ギア列６０を介して差動機構５５に入力される。出力軸４５からいずれかの方向にシフトされた第４クラッチ４７を介して第２中間軸４２を回転させることで、差動機構５５における第１中間軸４１側からの入力と第２中間軸４２からの入力との差動として、取り出し軸５８から発電電動機１８に発電トルクが掛けられる。第２変速段又は第４変速段で走行する場合には、第２中間軸４２が既に動力伝達経路となっている。出力軸４５からいずれかの方向にシフトされた第３クラッチ４６を介して第１中間軸４１を回転させ、第１中間軸４１の回転を、固定クラッチ６１が開放された接続ギア列６０を介して差動機構５５に入力する。差動機構５５における第１中間軸４１側からの入力と第２中間軸４２からの入力との差動として取り出し軸５８から発電電動機１８に発電トルクが掛けられる。図５は一例として第１変速段で走行中に第４変速段を締結して発電する場合を示す。
【００３４】
回生時の動作について図６を参照して説明する。
［回生］ モータの回転数を高くするため、例えば第４変速段又は第２変速段での走行時に行う回生では、出力軸４５の回転を第４クラッチ４７のいずれかの方向へのシフト・締結によって第２中間軸４２を回転させることができる。差動機構５５において、固定クラッチ６１を締結することによって第１中間軸４１を停止させることができるので、差動機構５５における両入力の差動として取り出し軸５８から発電電動機１８に発電トルクが掛けられ、回生動作を得ることができる。第１変速段又は第３変速段での走行時に固定クラッチ６１を締結して回生を行うには、先ず第３クラッチ４６を中立にし、第４クラッチ４７を車速に応じて第２変速段又は第４変速段に締結すると共に固定クラッチ６１を締結して回生する。
固定クラッチを使用しない場合の回生を第１変速段又は第３変速段走行時を例に取り、図７を参照して説明する。固定クラッチ６１は開放されているので、出力軸４５の回転を第３クラッチ４６のいずれかの方向へのシフト・締結によって第１中間軸４１を回転させると共に、出力軸４５の回転を第４クラッチのいずれかの方向へのシフト・締結によって第２中間軸４２を回転させ、差動機構５５における両入力の差動として取出し軸５８から発電電動機１８に発電トルクが掛けられ、回生動作を得ることができる。
【００３５】
第１変速段を用いる電動機発進について図８を参照して説明する。
［電動機発進（第１変速段発進）］ エンジン１４が停止しているときに、第３クラッチ４６を第１変速ギア段５１側にシフト・締結し、同時に第４クラッチ４７を第４変速ギア段５４側にシフト・締結する。第１及び第２のクラッチ４３，４４並びに固定クラッチ６１は開放状態とされる。モータとして作動する発電電動機１８の出力は、差動機構５５を介して、更に一方では第４変速ギア段５４を介して出力軸４５に、また他方では接続ギア列６０、第１中間軸４１及び第１変速ギア段５１を介して出力軸４５に伝達される。両経路の回転差は、差動機構５５が吸収する。車両速度が例えば２０ｋｍ／ｈに加速したときに、エンジン１４が始動される。エンジン１４の始動後、エンジン回転数を制御して第１クラッチ４３を同期させて締結すると、エンジン動力は第１中間軸４１、第１変速ギア段５１を介して出力軸４５に伝達され、エンジン走行モードに移行する。
【００３６】
第２変速段を用いる電動機発進について図９を用いて説明する。
［電動機発進（第２変速段発進）］ エンジン１４が停止しているときに、第３クラッチ４６を開放状態とし、第４クラッチ４７を第２変速ギア段５２側にシフト・締結する。第１及び第２のクラッチ４３，４４は開放状態とされるが、固定クラッチ６１は締結される。モータとして作動する発電電動機１８の出力は、差動機構５５、第２中間軸４２、第２変速ギア段５２及び出力軸４５の経路で伝達される。固定クラッチ６１が締結されることで、差動機構５５は発電電動機１８の出力と固定クラッチ６１側との差を第２中間軸４２に出力する。この発進モードでは、第２変速ギア段５２で発進が行われ、車両速度が例えば４５ｋｍ／ｈに加速したときに、エンジン１４が始動される。エンジン１４の始動後、エンジン回転数を制御して第２クラッチ４４を同期させて締結すると、エンジン動力は第２中間軸４２、第２変速ギア段５２を介して出力軸４５に伝達され、エンジン走行モードに移行する。この発進モードは、駅構内では４５ｋｍ／ｈに加速されるまでモータ発進・走行となり騒音低減に効果的であるので、ターミナル駅のような利用客の多い大きな駅での発進に適している。
【００３７】
エンジン発進について、図１０を用いて説明する。
［エンジン発進］ 駆動用バッテリ１０の充電率が低下している場合などに、エンジン１４を起動後、発電電動機１８の回転数を制御して第２クラッチ４４を同期させて締結し、発電電動機１８にトルクをかける。停車状態では第３クラッチ４６が第１変速ギア段５１に締結されているので、エンジン１４の出力は第２中間軸４２、差動機構５５、接続ギア列６０側、第１中間軸４１及び第１変速ギア段５１を介して出力軸４５に伝達される。この時、第２中間軸４２の回転数と差動機構５５の接続ギア列６０側に連結された軸との回転数差は差動機構５５が吸収し、両回転軸の差の出力によって、取り出しギア５７及び取り出し軸５８を介して発電電動機１８が発電する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明による軌道車両用駆動システムが適用される軌道車両、特に鉄道車両の一例を示す模式図である。
【図２】図１に示す軌道車両用駆動システムにおける発電電動機及び変速機と、両者間の接続構造の一例を示す上面図である。
【図３】図１に示す軌道車両用駆動システムにおける変速機の構造を模式的に示す図である。
【図４】本発明による軌道車両用駆動システムにおいて、停車時と惰行時の発電トルク伝達経路を示す説明図である。
【図５】本発明による軌道車両用駆動システムにおいて、力行時の発電トルク伝達経路を示す説明図である。
【図６】本発明による軌道車両用駆動システムにおいて、回生時の発電トルク伝達経路を示す説明図である。
【図７】本発明による軌道車両用駆動システムにおいて、回生時の発電トルク伝達経路を示す説明図である。
【図８】本発明による軌道車両用駆動システムにおいて、第１変速段を用いる電動機発進時のモータトルク伝達経路を示す説明図である。
【図９】本発明による軌道車両用駆動システムにおいて、第２変速段を用いる電動機発進時のモータトルク伝達経路を示す説明図である。
【図１０】本発明による軌道車両用駆動システムにおいて、エンジン発進時のエンジン出力トルク伝達経路を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３９】
１ 鉄道車両 ２ 屋根
３ 床 ４，４ 台車
５ 車輪 ６ 減速機
１０ 駆動用バッテリ １１ 駆動用バッテリリアクトル
１２ 断流器 １３ 燃料タンク
１４ エンジン １５ 変速機（アクティブシフトトランスミッション）
１６ プロペラシャフト １７ インバータ
１８ 発電電動機 １９ エンジン制御器
２０ 変速機制御器 ２１ 制御用バッテリ
２２ ラジエータ
２５ 撓み継ぎ手
２９ 出力軸（エンジンの） ３０ 入力軸（変速機１５の）
３１ 前進用ギア列 ３２ 後進用ギア列
３３ 入力ギア
３４ 第１ギア ３５ 第２ギア
３６ 入力ギア ３７，３８ 反転ギア
３９ 第３ギア ４０ 第４ギア
４１ 第１中間軸 ４２ 第２中間軸
４３ 第１クラッチ ４４ 第２クラッチ
４５ 出力軸（変速機１５の）
４６ 第３クラッチ ４７ 第４クラッチ
５１ 第１変速ギア段 ５２ 第２変速ギア段
５３ 第３変速ギア段 ５４ 第４変速ギア段
５５ 差動機構 ５７ 取り出しギア
５８ 取り出し軸 ６０ 接続ギア列
６１ 固定クラッチ
【技術分野】
【０００１】
この発明は、エンジンの回転出力を変速して出力する変速機を備えた軌道車両用駆動システム及びそれを用いた軌道車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
既存の気動車の駆動システムは、ディーゼルエンジンのようなエンジンの出力を変速機（トランスミッション）に入力し、変速機の出力をドライブシャフトを介して車輪に伝達するシステムとして構成されているものがある。このシステムでは、変速はすべて変速機で行われる。一方、別の形態の駆動システムとして、エンジンの出力をすべて発電機に入力し、発電機が出力した電気エネルギーをインバータに入力し、周波数変換して台車に備わるモータを電気的に駆動するシステムが提案されている。エンジンが停止していても、バッテリからの電力によって、モータを運転することができる。この形態の駆動システムでは、減速回生時にインバータからは、フルに又は車両の運転状態に応じて余剰となった電力がバッテリに充電される。
【０００３】
二つの中間軸を持つブリッジ型変速機で入力軸と中間軸の間に後進ギアを設けているものがある（特許文献１参照）。この変速機は、エンジンに接続された変速機入力軸と、変速機出力軸の間に第一，第二の中間軸を設け、該中間軸と入力軸および該中間軸と出力軸の間に変速ギアを配置して、二組の変速ギア比の積で変速比が決まるようにし、さらに両中間軸間に差動装置を接続し、該差動装置の第三軸に電動機を接続して、エンジントルクを一時的にモータに担持させることでアクティブ変速を行うアクティブシフト変速機である。噛合いクラッチの数を増やすことなく、入力軸の変速ギアを解放すれば、エンジンを切り離し可能であり、回生制動時のエンジン連れ回し損失を無くすことを図っている。しかしながら、このアクティブシフト変速機は、自動車用のものであるので、後進ギアは一つ（片方）だけである。
【０００４】
また、ツインクラッチ式自動変速機の両クラッチ軸間に電動機を挿入し、電動機のトルクと回転数を制御して滑らかで効率的な変速制御を行うとともに、クリープ制御、アイドルストップ発進制御、Ｒ→Ｄ、Ｄ→Ｒセレクト制御等を実現可能な変速機が提案されている（特許文献２参照）。この提案において、中間軸の片方に固定ブレーキ又は固定クラッチが設けられているものが含まれているが、その目的はエンジン始動用に限られている。
【特許文献１】特開２００５−７６８７５号公報
【特許文献２】ＷＯ０１／６６９７１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
気動車のような軌道車両では、自動車（前進第１〜４速、後進Ｒ）とは異なり、前進と後進とは同じ変速環境で作動しなければならない。即ち、気動車は、車両の編成は変わらずに、上りを走行するときと下りを走行するときとでは、前進・後進を同じ速度段で変速できなければならないという要請がある。そこで、電動機でアシストをする軌道車両用の駆動システムにおいては、変速機として、前進と後進とで、速度段数と各速度段でのギア比とを等しくするためのギア配列を得るとともに電動機と組み合わせ可能とする点で解決すべき課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明による軌道車両用駆動システムは、エンジン、及び当該エンジンの回転出力を変速して出力する変速機を備え、当該変速機の出力軸の回転が軌道車両の駆動輪に伝達される軌道車両用駆動システムであって、前記変速機は、前記入力軸と並列に設けられた第１中間軸及び第２中間軸、前記第１中間軸又は第２中間軸と前記出力軸との間に噛み合って設けられており選択的に動力伝達が行われる複数組の変速ギア段、及び前記入力軸と前記両中間軸との間に設けられていて前記入力軸の回転を選択的に伝達する前進用ギア列及び後進用ギア列を備え、前記前進用ギア列又は前記後進用ギア列の選択と複数組の前記変速ギア段の選択との組合せで得られる速度段数が前進と後進とで等しくなっており、インバータを介してバッテリとの間で電力を出し入れする発電電動機を備え、前記発電電動機は、前記変速機に備わる前記第１中間軸及び／又は前記第２中間軸との間で回転力を授受することを特徴とする。
【０００７】
この発明による軌道車両用駆動システムによれば、変速機が出力軸との間に相異なる変速ギア段を有する二つの中間軸と、前進用ギア列及び後進用ギア列とを組み合わせているので、軌道車両の前進と後進とによらず、同じ速度段数とギア比とが得られる。しかも、発電電動機によるアシスト回転力は、変速機を通じて出力軸に与えられる。更に、変速機の出力の一部又は全部の入力を受けて発電する発電電動機を備えることで、当該駆動システムは、鉄道車両の駆動輪にはエンジンからの動力と発電電動機からの電動機出力とが選択的に伝達されるハイブリッド駆動システムに構成され、エンジンの余剰動力を発電に用いて電気エネルギーとして貯えることができ、更に、軌道車両の制動時に発電することで運動エネルギーを回生エネルギーとして回収することができ、省エネルギーに貢献することができる。
【０００８】
この軌道車両用駆動システムにおいて、前記電動機と前記第１中間軸及び前記第２中間軸との間に差動機構を介在させ、前記差動機構の差動出力軸に前記発電電動機を接続することができる。電動機によるアシスト回転力が第１中間軸又は第２中間軸を通じて出力軸に与えられ、第１中間軸と第２中間軸との間に速度差が生じるときには、差動機構によって吸収することができる。
【０００９】
この軌道車両用駆動システムにおいて、前記差動機構には前記第１及び第２中間軸の少なくとも一方との間で複数のギアから成る接続ギア列を直列配置し、前記接続ギア列の当該ギアの回転を拘束する固定クラッチを設けることができる。差動機構に直列に配置した接続ギア列の当該ギアの回転を拘束する固定クラッチを設けることで、両中間軸のうち差動機構を介さないで接続される一方の中間軸の回転が停止され、発電電動機を電動機として作動させて発進するときのモータ発進や、発電電動機を発電機として作動させるときの発電時に、制御の容易さと発電効率を高めることができる。
【００１０】
この軌道車両用駆動システムにおいて、前記電動機は前記変速機と別体に前記車体に取り付けられており、前記差動機構の前記電動機への接続軸は前記変速機の外部に取り出されており、前記接続軸と前記電動機との間を可撓性継ぎ手を介して連結することができる。軌道車両用駆動システムに用いられる機器は、保守点検作業の一環として、一定の周期でメンテナンスをする必要がある。発電電動機は比較的完成された機器であり且つ摺動摩耗する部分が殆ど無い。それと比較して変速機は歯車の噛み合いやクラッチの摺接を用いる機器であるので、摩耗に起因した部品交換や摩耗粉除去等に必要なメンテナンス周期が短い。発電電動機が変速機と別体に前記車体に取り付けられている場合には、こうしたメンテナンス周期の違いによって、発電電動機と変速機とを車両本体から取り外す時期が異なる。これに対応するため、発電電動機と変速機との間をユニバーサルジョイント或いは撓み継ぎ手等の可撓性継ぎ手を介して連結されている。こうした継手構造によって、変速機と電動機を別体にして電動機を変速機の後方に設置することができ、発電電動機と変速機との車体からの取外しや再取付け、或いは互いの分離と再接続の作業が容易に且つ効率的に行うことができる。
【００１１】
ハイブリッド駆動システムに構成された上記の軌道車両用駆動システムにおいて、車両停車時及び惰行時など前記エンジンが車両牽引力として使われていないとき、前記変速ギア段のすべてを開放するとともに、前記固定クラッチを締結し、前記接続ギア列が直接接続されていない方の前記中間軸に配置された前記前進用ギア列及び後進用ギア列のいずれか一方を選択的に締結し、前記エンジンの出力を前記差動機構を介して前記発電電動機に伝達して発電することができる。このように構成することで、車両停車時及び惰行時などのエンジンが車両牽引力として使われていないときには、エンジンの出力はどの変速ギア段にも伝達されることなく差動機構を介して発電電動機に伝達され、発電電動機において発電を行うことができる。
【００１２】
ハイブリッド駆動システムに構成された上記の軌道車両用駆動システムにおいて、前記変速ギア段のいずれか一つが締結されて走行中に、該変速ギア段が接続されていない方の前記中間軸に配置された他の前記変速ギア段の一つを締結し、前記差動機構により前記第１中間軸と前記第２中間軸の回転差を前記発電電動機に伝えて発電することができる。このように構成することで、エンジンの駆動力がどれかの変速ギア段を介して車両牽引力として使われていても、他方の中間軸に配置されている他の前記変速ギア段の一つを締結することで、差動機構によって第１中間軸と前記第２中間軸の回転差を発電電動機に伝達して、発電電動機において発電を行うことができる。
【００１３】
ハイブリッド駆動システムに構成された上記の軌道車両用駆動システムにおいて、前記接続ギア列が直接接続されていない方の前記中間軸に配置された前記変速ギア段のいずれか一つが締結されて走行中に、前記接続ギア列が直接接続されている方の前記中間軸に配置された前記変速ギア段のすべてを開放するとともに、前記固定クラッチを締結し、前記差動機構により前記第１中間軸と前記第２中間軸の回転差を前記発電電動機に伝えて発電することができる。このように構成することで、軌道車両の慣性による出力軸から取り込まれる回転力は、締結されている変速ギア段を介しての一方の中間軸を回転させ、固定クラッチの締結によって回転が停止されている他方の中間軸の回転差が発電電動機に伝達されるので、軌道車両の運動エネルギーを回生することでブレーキをかける回生制動を行うことができる。
【００１４】
差動機構を備えた上記の軌道車両用駆動システムにおいて、前記変速ギア段のいずれか一つが締結されているとき、該変速ギア段が接続されていない方の前記中間軸に配置された他の前記変速ギア段の一つを締結し、前記電動機の発生する動力を前記差動機構により前記第１中間軸と前記第２中間軸に伝えて走行することができる。このように構成することで、電動機が発生する動力は各中間軸において締結されている変速ギア段を介して出力軸に伝達され、電動機による発進を行うことができる。差動機構は両中間軸の変速ギア段からの回転数差を吸収することができる。この場合、締結する変速ギア段については、モータ回転数、必要車両性能に依存するため、例えば第１変速ギア段とすればよい。
【００１５】
差動機構を備えた上記の軌道車両用駆動システムにおいて、前記接続ギア列が直接接続されていない方の前記中間軸に配置された前記変速ギア段のいずれか一つが締結されているとき、前記接続ギア列が直接接続されている方の前記中間軸に配置された前記変速ギア段のすべてを開放するとともに、前記固定クラッチを締結し、前記電動機の発生する動力を前記差動機構により前記第１中間軸と前記第２中間軸に伝えて走行することができる。このように構成することで、電動機が発生する動力は、差動機構から締結されている変速ギア段を介して出力軸に伝達される。このとき、固定クラッチを締結させておくことにより、差動機構の固定クラッチ側は回転停止とされ、電動機の出力を効率良く出力軸に伝達することができる。この場合、締結する変速ギア段については、モータ回転数、必要車両性能に依存するため、例えば第２変速ギア段とすればよい。
【００１６】
この発明は、この軌道車両用駆動システムを備え、当該軌道車両用駆動システムの出力で駆動輪を駆動することを特徴とする軌道車両とすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
この発明による軌道車両用駆動システムは上記のように構成されているので、次のような効果を奏する。即ち、アシスト用に用いている発電電動機による単独走行が可能で、エンジン騒音を低減することができる。変速時にクラッチの同期を取り且つトルク中断無しに変速するので、従来の気動車より変速時のショックを軽減でき、車両間の衝動も軽減できることから乗心地が向上する。また、トルク中断がないことから加速性能も向上する。また、流体変速機を介さずに駆動でき、摩擦クラッチが無く、遊休クラッチの連れ回りも無いことから、駆動効率が高く且つ燃費が向上するとともに、潤滑油量が少なくて済み発熱も少ないため、潤滑油の冷却装置等が不要でイニシャルコストを低減でき、省メンテナンスである。更に、変速機については発電電動機を取り付けるための剛性を上げる必要もないのでイニシャルコストを低減できる。更に、変速機と発電電動機とを別設置とすることで、配置自由度が高められ、車両の重量配分をバランスよく設定できる。また更に、変速機と発電電動機を個別にメンテナンスすることが容易となる。
電動機として発電電動機を用いることで、制動エネルギーを電気エネルギーとして回生してバッテリに蓄え、駆動力として使用できることから、従来の気動車よりも駆動性能及び燃費を向上させることができる。また、エネルギーを回収する発電機と動力を発生する電動機が共用できることから、イニシャルコストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、この発明による軌道車両用駆動システムが適用される軌道車両、特に鉄道車両の一例を示す模式図であり、（ａ）は屋根上を示す平面図、（ｂ）は床下の下面に沿った平面で下方を見た図を示す。図１（ａ）に示すように、鉄道車両１の屋根２の上には、駆動用バッテリ１０と駆動用バッテリリアクトル１１とが設けられている。
【００１９】
図１（ｂ）に示すように、鉄道車両１を支えるとともに、軌道（線路）を走行可能な車輪５と減速機６とを備えた台車４，４が配置されており、鉄道車両１の床３下には、以下に掲げる各種機器が吊り下げる態様で設けられている。即ち、軽油等の燃料を貯蔵して供給源となっている燃料タンク１３、燃料タンク１３から燃料の供給を受けて駆動されるディーゼルエンジンのような内燃機関からなるエンジン１４、エンジン１４に近接配置されておりエンジン１４の回転出力を受けて当該回転出力をプロペラシャフト１６に変速して出力する変速機（アクティブシフトトランスミッション）１５、屋根２上の駆動用バッテリ１０からの電力が入力されるインバータ１７、インバータ１７で周波数変換された交流電力の供給を受け且つ場合によってはエンジン１４からの動力を受けて発電機として機能する発電電動機１８が、床３の下に吊り下げ支持されている。図１（ｂ）に示すように、鉄道車両１の床３上には、駆動用バッテリ１０と後述する発電電動機１８との間で電流の流れを断つ断流器１２が設置されている。
【００２０】
変速機１５の変速出力は、一方の台車（駆動台車）４に設けられている減速機６に推進軸（プロペラシャフト）１６を介して伝達される。床３の下面には、更に、エンジン制御器１９、変速機制御器２０、制御用バッテリ２１、ラジエータ２２が吊り下げ支持されている。
【００２１】
図２は、図１に示す軌道車両の軌道車両用駆動システムにおける発電電動機及び変速機と両者間の接続構造の一例を示す上面図（ａ）と側面図（ｂ）である。発電電動機１８と変速機１５とのメンテナンス周期のずれによって、発電電動機１８と変速機１５とを車両本体から取り外す時期が異なるので、発電電動機１８と変速機１５の接続軸（後述する）とは撓み継ぎ手２５を介して連結されている。撓み継ぎ手２５を用いて両者を連結しているので、発電電動機１８と変速機１５との一方のみを車体から取り外す場合、及び再び車体に取り付ける場合に、接続する軸間で傾斜が許容されて完全にアライメントしていなくてもよくなるので、取り外し・取り付け作業を容易に且つ効率的に行うことが可能になる。なお、撓み継ぎ手２５に代えてユニバーサルジョイントを用いることも可能である。
【００２２】
図３は、図１に示す軌道車両の軌道車両用駆動システムにおける変速機の構造を模式的に示す図である。変速機１５には、エンジン１４の出力軸２９は、変速機１５の入力軸３０に直結されており、エンジン１４からの回転出力が直接に変速機に入力される。入力軸３０には、前進用ギア列３１と後進用ギア列３２が並列に配置されており、入力軸３０が回転駆動されている状態では、両ギア列３１，３２は常に駆動されている。前進用ギア列３１は、入力軸３０に連結された入力ギア３３、入力ギア３３と噛み合う第１ギア３４及び第２ギア３５を備えている。後進用ギア列３２は、入力軸３０に連結された入力ギア３６、入力ギア３６にそれぞれ噛み合う仕様が同じな反転ギア３７，３８、反転ギア３７，３８にそれぞれ噛み合う第３ギア３９及び第４ギア４０を備えている。
【００２３】
入力軸３０に並行に、第１中間軸４１と第２中間軸４２とが配置されている。第１ギア３４と第３ギア３９とは第１中間軸４１に相対回転可能に嵌合しており、第２ギア３５と第４ギア４０とは第２中間軸４２に相対回転可能に嵌合している。第１中間軸４１と第２中間軸４２とには、前進用ギア列３１と後進用ギア列３２との間において、それぞれ、選択的にシフト可能な第１クラッチ４３と第２クラッチ４４とが配設されている。したがって、第１中間軸４１には第１クラッチ４３の選択的なシフトによって当該クラッチ４３が締結した側のギア（３４又は３９）から前進回転又は後進回転が与えられ、第２中間軸４２には第２クラッチ４４の選択的なシフトによって当該クラッチ４４が締結した側のギア（３５又は４０）から前進回転又は後進回転が与えられる。
【００２４】
第１中間軸４１と第２中間軸４２と並行に、出力軸４５が配置されている。第１中間軸４１と出力軸４５との間には第１変速ギア段５１と第３変速ギア段５３が配設されており、第２中間軸４２と出力軸４５との間には第２変速ギア段５２と第４変速ギア段５４が配設されている。各変速ギア段５１〜５４においては、予め定められた変速比で出力軸４５に回転出力を生じさせるために、相異なるギア径（歯数）が定められている。また、各変速ギア段５１〜５４において、中間軸４１，４２上に配置されているギアは中間軸４１，４２に対して相対回転自在であるが、出力軸４５に配置されているギアは出力軸４５に固定されている。
【００２５】
第１中間軸４１上において、第１変速ギア段５１と第３変速ギア段５３との間には選択的にシフト可能な第３クラッチ４６が配設されている。また、第２中間軸４２上において、第２変速ギア段５２と第４変速ギア段５４との間には選択的にシフト可能な第４クラッチ４７が配設されている。
【００２６】
上記の変速ギア段の構成によって、第１クラッチ４３を前進用ギア列３１側にシフトした状態で、第３クラッチ４６を第１変速ギア段５１側にシフトするときには入力軸３０の回転は第１中間軸４１及び第１変速ギア段５１を介して出力軸４５に第１変速段で出力され、第３クラッチ４６を第３変速ギア段５３側にシフトするときには入力軸３０の回転は第１中間軸４１及び第３変速ギア段５３を介して出力軸４５に第３変速段で出力される。このとき、第２クラッチ４４は中立位置に置かれる。また、第２クラッチ４４を前進用ギア列３１側にシフトした状態で、第４クラッチ４７を第２変速ギア段５２側にシフトするときには入力軸３０の回転は第２中間軸４２及び第２変速ギア段５２を介して出力軸４５に第２変速段で出力され、第４クラッチ４７を第４変速ギア段５４側にシフトするときには入力軸３０の回転は第２中間軸４２及び第４変速ギア段５４を介して出力軸４５に第４変速段で出力される。このとき、第１クラッチ４３は中立位置に置かれる。
【００２７】
第１クラッチ４３、第２クラッチ４４、第３クラッチ４６及び第４クラッチ４７は、ドグクラッチとして構成されている。各中間軸とスプライン係合しているスリーブをシフタによって中間軸の軸線と並行な方向にシフトさせることにより、各ギアに設けられているドグ歯への締結が可能である。
【００２８】
第１クラッチ４３又は第２クラッチ４４を後進用ギア列３２側にシフトしたときには、第３クラッチ４６又は第４クラッチ４７の選択的なシフトによって、後進の場合でも同じ変速段が得られる。軌道車両の場合には、進行方向が前進と後進の場合があるが、自動車の場合のような後進１速のみというような制約はなく、どちらの進行方向であっても、同じ変速段が要求されるので、本変速機１５はこうした要求に応えることができる。また、各変速ギア段で走行中に機関ブレーキ信号が入力された際に、エンジン１４をアイドル状態として機関ブレーキをかけることができる。
【００２９】
第２中間軸４２の端部には差動機構５５が配設されており、差動機構５５のリングギア５６と噛み合う取り出しギア５７の取り出し軸５８は発電電動機１８に接続されている。第１中間軸４１と差動機構５５との間には接続ギア列６０と固定クラッチ６１とが配設されている。接続ギア列６０は、第１中間軸４１側に直接接続されている接続ギア列部６０ａと、第２中間軸４２に直接接続されてはいないが差動機構５５を介して間接的に接続されている接続ギア列部６０ｂとを備えている。
【００３０】
車両の運転モードに応じた変速機１５の使用状態について、以下説明する。
［停車状態］ 停車状態では、第３クラッチ４６を第１変速ギア段５１に係合させるのみとし、他のクラッチは開放する。発電電動機１８の出力は無しとされる。エンジン１４は、補機の必要性に応じてのみ運転する。
【００３１】
［惰行状態］ 惰行状態では、第１クラッチ４３及び第２クラッチ４４を共に前進用ギア列３１（又は車両の走行方向が後進であるときには、後進用ギア列３２）側にシフトする。発電電動機１８の出力は無しとされる。エンジン１４はアイドル状態である。
【００３２】
停車時における発電及びバッテリ暖機運転並びに惰行時における発電について図４を参照して説明する。
［停車発電］ 停車発電では、第１クラッチ４３を中立位置とし、第２クラッチ４４を前進（又は後進）用ギア列３１（又は３２）側にシフトする。各変速ギア段５１〜５４は中立位置を占める。固定クラッチ６１を締結状態とすることで、差動機構５５の反第２中間軸側（即ち、第１中間軸４１）が回転しないようにして、エンジン１４の出力を、第２中間軸４２、差動機構５５の取り出しギア５７及び取り出し軸５８を介して発電電動機１８に出力する。惰行発電についても同等の状態である。また、バッテリ１０、２１等の温度が０℃以下のような場合において、バッテリを加温する暖機運転の場合も同等の状態である。
【００３３】
力行時における発電について図５を参照して説明する。
［力行発電］ 車両がエンジン１４の出力で力行をしつつその出力の一部で発電を行うモードである。第１変速段〜第４変速段については、上記のとおり第３クラッチ４６又は第４クラッチ４７による各変速ギア段５１〜５４の選択的なシフト・締結が行われる。第１変速段又は第３変速段で走行する場合には第１中間軸４１が動力伝達経路として用いられている。固定クラッチ６１は開放されているので、第１中間軸４１の回転が接続ギア列６０を介して差動機構５５に入力される。出力軸４５からいずれかの方向にシフトされた第４クラッチ４７を介して第２中間軸４２を回転させることで、差動機構５５における第１中間軸４１側からの入力と第２中間軸４２からの入力との差動として、取り出し軸５８から発電電動機１８に発電トルクが掛けられる。第２変速段又は第４変速段で走行する場合には、第２中間軸４２が既に動力伝達経路となっている。出力軸４５からいずれかの方向にシフトされた第３クラッチ４６を介して第１中間軸４１を回転させ、第１中間軸４１の回転を、固定クラッチ６１が開放された接続ギア列６０を介して差動機構５５に入力する。差動機構５５における第１中間軸４１側からの入力と第２中間軸４２からの入力との差動として取り出し軸５８から発電電動機１８に発電トルクが掛けられる。図５は一例として第１変速段で走行中に第４変速段を締結して発電する場合を示す。
【００３４】
回生時の動作について図６を参照して説明する。
［回生］ モータの回転数を高くするため、例えば第４変速段又は第２変速段での走行時に行う回生では、出力軸４５の回転を第４クラッチ４７のいずれかの方向へのシフト・締結によって第２中間軸４２を回転させることができる。差動機構５５において、固定クラッチ６１を締結することによって第１中間軸４１を停止させることができるので、差動機構５５における両入力の差動として取り出し軸５８から発電電動機１８に発電トルクが掛けられ、回生動作を得ることができる。第１変速段又は第３変速段での走行時に固定クラッチ６１を締結して回生を行うには、先ず第３クラッチ４６を中立にし、第４クラッチ４７を車速に応じて第２変速段又は第４変速段に締結すると共に固定クラッチ６１を締結して回生する。
固定クラッチを使用しない場合の回生を第１変速段又は第３変速段走行時を例に取り、図７を参照して説明する。固定クラッチ６１は開放されているので、出力軸４５の回転を第３クラッチ４６のいずれかの方向へのシフト・締結によって第１中間軸４１を回転させると共に、出力軸４５の回転を第４クラッチのいずれかの方向へのシフト・締結によって第２中間軸４２を回転させ、差動機構５５における両入力の差動として取出し軸５８から発電電動機１８に発電トルクが掛けられ、回生動作を得ることができる。
【００３５】
第１変速段を用いる電動機発進について図８を参照して説明する。
［電動機発進（第１変速段発進）］ エンジン１４が停止しているときに、第３クラッチ４６を第１変速ギア段５１側にシフト・締結し、同時に第４クラッチ４７を第４変速ギア段５４側にシフト・締結する。第１及び第２のクラッチ４３，４４並びに固定クラッチ６１は開放状態とされる。モータとして作動する発電電動機１８の出力は、差動機構５５を介して、更に一方では第４変速ギア段５４を介して出力軸４５に、また他方では接続ギア列６０、第１中間軸４１及び第１変速ギア段５１を介して出力軸４５に伝達される。両経路の回転差は、差動機構５５が吸収する。車両速度が例えば２０ｋｍ／ｈに加速したときに、エンジン１４が始動される。エンジン１４の始動後、エンジン回転数を制御して第１クラッチ４３を同期させて締結すると、エンジン動力は第１中間軸４１、第１変速ギア段５１を介して出力軸４５に伝達され、エンジン走行モードに移行する。
【００３６】
第２変速段を用いる電動機発進について図９を用いて説明する。
［電動機発進（第２変速段発進）］ エンジン１４が停止しているときに、第３クラッチ４６を開放状態とし、第４クラッチ４７を第２変速ギア段５２側にシフト・締結する。第１及び第２のクラッチ４３，４４は開放状態とされるが、固定クラッチ６１は締結される。モータとして作動する発電電動機１８の出力は、差動機構５５、第２中間軸４２、第２変速ギア段５２及び出力軸４５の経路で伝達される。固定クラッチ６１が締結されることで、差動機構５５は発電電動機１８の出力と固定クラッチ６１側との差を第２中間軸４２に出力する。この発進モードでは、第２変速ギア段５２で発進が行われ、車両速度が例えば４５ｋｍ／ｈに加速したときに、エンジン１４が始動される。エンジン１４の始動後、エンジン回転数を制御して第２クラッチ４４を同期させて締結すると、エンジン動力は第２中間軸４２、第２変速ギア段５２を介して出力軸４５に伝達され、エンジン走行モードに移行する。この発進モードは、駅構内では４５ｋｍ／ｈに加速されるまでモータ発進・走行となり騒音低減に効果的であるので、ターミナル駅のような利用客の多い大きな駅での発進に適している。
【００３７】
エンジン発進について、図１０を用いて説明する。
［エンジン発進］ 駆動用バッテリ１０の充電率が低下している場合などに、エンジン１４を起動後、発電電動機１８の回転数を制御して第２クラッチ４４を同期させて締結し、発電電動機１８にトルクをかける。停車状態では第３クラッチ４６が第１変速ギア段５１に締結されているので、エンジン１４の出力は第２中間軸４２、差動機構５５、接続ギア列６０側、第１中間軸４１及び第１変速ギア段５１を介して出力軸４５に伝達される。この時、第２中間軸４２の回転数と差動機構５５の接続ギア列６０側に連結された軸との回転数差は差動機構５５が吸収し、両回転軸の差の出力によって、取り出しギア５７及び取り出し軸５８を介して発電電動機１８が発電する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明による軌道車両用駆動システムが適用される軌道車両、特に鉄道車両の一例を示す模式図である。
【図２】図１に示す軌道車両用駆動システムにおける発電電動機及び変速機と、両者間の接続構造の一例を示す上面図である。
【図３】図１に示す軌道車両用駆動システムにおける変速機の構造を模式的に示す図である。
【図４】本発明による軌道車両用駆動システムにおいて、停車時と惰行時の発電トルク伝達経路を示す説明図である。
【図５】本発明による軌道車両用駆動システムにおいて、力行時の発電トルク伝達経路を示す説明図である。
【図６】本発明による軌道車両用駆動システムにおいて、回生時の発電トルク伝達経路を示す説明図である。
【図７】本発明による軌道車両用駆動システムにおいて、回生時の発電トルク伝達経路を示す説明図である。
【図８】本発明による軌道車両用駆動システムにおいて、第１変速段を用いる電動機発進時のモータトルク伝達経路を示す説明図である。
【図９】本発明による軌道車両用駆動システムにおいて、第２変速段を用いる電動機発進時のモータトルク伝達経路を示す説明図である。
【図１０】本発明による軌道車両用駆動システムにおいて、エンジン発進時のエンジン出力トルク伝達経路を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３９】
１ 鉄道車両 ２ 屋根
３ 床 ４，４ 台車
５ 車輪 ６ 減速機
１０ 駆動用バッテリ １１ 駆動用バッテリリアクトル
１２ 断流器 １３ 燃料タンク
１４ エンジン １５ 変速機（アクティブシフトトランスミッション）
１６ プロペラシャフト １７ インバータ
１８ 発電電動機 １９ エンジン制御器
２０ 変速機制御器 ２１ 制御用バッテリ
２２ ラジエータ
２５ 撓み継ぎ手
２９ 出力軸（エンジンの） ３０ 入力軸（変速機１５の）
３１ 前進用ギア列 ３２ 後進用ギア列
３３ 入力ギア
３４ 第１ギア ３５ 第２ギア
３６ 入力ギア ３７，３８ 反転ギア
３９ 第３ギア ４０ 第４ギア
４１ 第１中間軸 ４２ 第２中間軸
４３ 第１クラッチ ４４ 第２クラッチ
４５ 出力軸（変速機１５の）
４６ 第３クラッチ ４７ 第４クラッチ
５１ 第１変速ギア段 ５２ 第２変速ギア段
５３ 第３変速ギア段 ５４ 第４変速ギア段
５５ 差動機構 ５７ 取り出しギア
５８ 取り出し軸 ６０ 接続ギア列
６１ 固定クラッチ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン、及び当該エンジンの回転出力を変速して出力する変速機を備え、当該変速機の出力軸の回転が軌道車両の駆動輪に伝達される軌道車両用駆動システムにおいて、
前記変速機は、前記入力軸と並列に設けられた第１中間軸及び第２中間軸、前記第１中間軸又は第２中間軸と前記出力軸との間に噛み合って設けられており選択的に動力伝達が行われる複数組の変速ギア段、及び前記入力軸と前記両中間軸との間に設けられていて前記入力軸の回転を選択的に伝達する前進用ギア列及び後進用ギア列を備え、前記前進用ギア列又は前記後進用ギア列の選択と複数組の前記変速ギア段の選択との組合せで得られる速度段数が前進と後進とで等しくなっており、
インバータを介してバッテリとの間で電力を出し入れする発電電動機を備え、
前記発電電動機は、前記変速機に備わる前記第１中間軸及び／又は前記第２中間軸との間で回転力を授受する
ことを特徴とする軌道車両用駆動システム。
【請求項２】
請求項１に記載の軌道車両用駆動システムにおいて、
前記電動機と前記第１中間軸及び前記第２中間軸との間に差動機構が介在されており、 前記差動機構の差動出力軸に前記発電電動機が接続されている
ことを特徴とする軌道車両用駆動システム。
【請求項３】
請求項２に記載の軌道車両用駆動システムにおいて、
前記差動機構には前記第１及び第２中間軸の少なくとも一方との間で複数のギアから成る接続ギア列が直列配置されており、前記接続ギア列の当該ギアの回転を拘束する固定クラッチが設けられている
ことを特徴とする軌道車両用駆動システム。
【請求項４】
請求項２に記載の軌道車両用駆動システムにおいて、
前記電動機は前記変速機と別体に前記軌道車両の車体に取り付けられており、
前記差動機構の前記電動機への接続軸は前記変速機の外部に取り出されており、
前記接続軸と前記電動機との間を可撓継ぎ手を介して連結している
ことを特徴とする軌道車両用駆動システム。
【請求項５】
請求項３に記載の軌道車両用駆動システムにおいて、
車両停車時及び惰行時など前記エンジンが車両牽引力として使われていないとき、
前記変速ギア段のすべてを開放するとともに、前記固定クラッチを締結し、
前記接続ギア列が直接接続されていない方の前記中間軸に配置された前記前進用ギア列及び後進用ギア列のいずれか一方を選択的に締結し、
前記エンジンの出力を前記差動機構を介して前記発電電動機に伝達して発電する
ことを特徴とする軌道車両用駆動システム。
【請求項６】
請求項２又は３に記載の軌道車両用駆動システムにおいて、
前記変速ギア段のいずれか一つが締結されて走行中に、
該変速ギア段が接続されていない方の前記中間軸に配置された他の前記変速ギア段の一つを締結し、
前記差動機構により前記第１中間軸と前記第２中間軸の回転差を前記発電電動機に伝えて発電する
ことを特徴とする軌道車両用駆動システム。
【請求項７】
請求項３に記載の軌道車両用駆動システムにおいて、
前記接続ギア列が直接接続されていない方の前記中間軸に配置された前記変速ギア段のいずれか一つが締結されて走行中に、
前記接続ギア列が直接接続されている方の前記中間軸に配置された前記変速ギア段のすべてを開放するとともに、
前記固定クラッチを締結し、
前記差動機構により前記第１中間軸と前記第２中間軸の回転差を前記発電電動機に伝えて発電する
ことを特徴とする軌道車両用駆動システム。
【請求項８】
請求項２又は３に記載の軌道車両用駆動システムにおいて、
前記変速ギア段のいずれか一つが締結されているとき、
該変速ギア段が接続されていない方の前記中間軸に配置された他の前記変速ギア段の一つを締結し、
前記電動機の発生する動力を前記差動機構により前記第１中間軸と前記第２中間軸に伝えて走行する
ことを特徴とする軌道車両用駆動システム。
【請求項９】
請求項３に記載の軌道車両用駆動システムにおいて、
前記接続ギア列が直接接続されていない方の前記中間軸に配置された前記変速ギア段のいずれか一つが締結されているとき、
前記接続ギア列が直接接続されている方の前記中間軸に配置された前記変速ギア段のすべてを開放するとともに、
前記固定クラッチを締結し、
前記電動機の発生する動力を前記差動機構により、前記接続ギア列が直接接続されていない方の前記中間軸に伝えて走行する
ことを特徴とする軌道車両用駆動システム。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の軌道車両用駆動システムを備え、当該軌道車両用駆動システムの出力で駆動輪を駆動する
ことを特徴とする軌道車両。
【請求項１】
エンジン、及び当該エンジンの回転出力を変速して出力する変速機を備え、当該変速機の出力軸の回転が軌道車両の駆動輪に伝達される軌道車両用駆動システムにおいて、
前記変速機は、前記入力軸と並列に設けられた第１中間軸及び第２中間軸、前記第１中間軸又は第２中間軸と前記出力軸との間に噛み合って設けられており選択的に動力伝達が行われる複数組の変速ギア段、及び前記入力軸と前記両中間軸との間に設けられていて前記入力軸の回転を選択的に伝達する前進用ギア列及び後進用ギア列を備え、前記前進用ギア列又は前記後進用ギア列の選択と複数組の前記変速ギア段の選択との組合せで得られる速度段数が前進と後進とで等しくなっており、
インバータを介してバッテリとの間で電力を出し入れする発電電動機を備え、
前記発電電動機は、前記変速機に備わる前記第１中間軸及び／又は前記第２中間軸との間で回転力を授受する
ことを特徴とする軌道車両用駆動システム。
【請求項２】
請求項１に記載の軌道車両用駆動システムにおいて、
前記電動機と前記第１中間軸及び前記第２中間軸との間に差動機構が介在されており、 前記差動機構の差動出力軸に前記発電電動機が接続されている
ことを特徴とする軌道車両用駆動システム。
【請求項３】
請求項２に記載の軌道車両用駆動システムにおいて、
前記差動機構には前記第１及び第２中間軸の少なくとも一方との間で複数のギアから成る接続ギア列が直列配置されており、前記接続ギア列の当該ギアの回転を拘束する固定クラッチが設けられている
ことを特徴とする軌道車両用駆動システム。
【請求項４】
請求項２に記載の軌道車両用駆動システムにおいて、
前記電動機は前記変速機と別体に前記軌道車両の車体に取り付けられており、
前記差動機構の前記電動機への接続軸は前記変速機の外部に取り出されており、
前記接続軸と前記電動機との間を可撓継ぎ手を介して連結している
ことを特徴とする軌道車両用駆動システム。
【請求項５】
請求項３に記載の軌道車両用駆動システムにおいて、
車両停車時及び惰行時など前記エンジンが車両牽引力として使われていないとき、
前記変速ギア段のすべてを開放するとともに、前記固定クラッチを締結し、
前記接続ギア列が直接接続されていない方の前記中間軸に配置された前記前進用ギア列及び後進用ギア列のいずれか一方を選択的に締結し、
前記エンジンの出力を前記差動機構を介して前記発電電動機に伝達して発電する
ことを特徴とする軌道車両用駆動システム。
【請求項６】
請求項２又は３に記載の軌道車両用駆動システムにおいて、
前記変速ギア段のいずれか一つが締結されて走行中に、
該変速ギア段が接続されていない方の前記中間軸に配置された他の前記変速ギア段の一つを締結し、
前記差動機構により前記第１中間軸と前記第２中間軸の回転差を前記発電電動機に伝えて発電する
ことを特徴とする軌道車両用駆動システム。
【請求項７】
請求項３に記載の軌道車両用駆動システムにおいて、
前記接続ギア列が直接接続されていない方の前記中間軸に配置された前記変速ギア段のいずれか一つが締結されて走行中に、
前記接続ギア列が直接接続されている方の前記中間軸に配置された前記変速ギア段のすべてを開放するとともに、
前記固定クラッチを締結し、
前記差動機構により前記第１中間軸と前記第２中間軸の回転差を前記発電電動機に伝えて発電する
ことを特徴とする軌道車両用駆動システム。
【請求項８】
請求項２又は３に記載の軌道車両用駆動システムにおいて、
前記変速ギア段のいずれか一つが締結されているとき、
該変速ギア段が接続されていない方の前記中間軸に配置された他の前記変速ギア段の一つを締結し、
前記電動機の発生する動力を前記差動機構により前記第１中間軸と前記第２中間軸に伝えて走行する
ことを特徴とする軌道車両用駆動システム。
【請求項９】
請求項３に記載の軌道車両用駆動システムにおいて、
前記接続ギア列が直接接続されていない方の前記中間軸に配置された前記変速ギア段のいずれか一つが締結されているとき、
前記接続ギア列が直接接続されている方の前記中間軸に配置された前記変速ギア段のすべてを開放するとともに、
前記固定クラッチを締結し、
前記電動機の発生する動力を前記差動機構により、前記接続ギア列が直接接続されていない方の前記中間軸に伝えて走行する
ことを特徴とする軌道車両用駆動システム。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の軌道車両用駆動システムを備え、当該軌道車両用駆動システムの出力で駆動輪を駆動する
ことを特徴とする軌道車両。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−２５４５８７（Ｐ２００８−２５４５８７Ａ）
【公開日】平成２０年１０月２３日（２００８．１０．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−９９１８９（Ｐ２００７−９９１８９）
【出願日】平成１９年４月５日（２００７．４．５）
【特許番号】特許第４１５００５５号（Ｐ４１５００５５）
【特許公報発行日】平成２０年９月１７日（２００８．９．１７）
【出願人】（５９０００３８２５）北海道旅客鉄道株式会社 (94)
【出願人】（３０３０２５６６３）株式会社日立ニコトランスミッション (25)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月２３日（２００８．１０．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月５日（２００７．４．５）
【特許番号】特許第４１５００５５号（Ｐ４１５００５５）
【特許公報発行日】平成２０年９月１７日（２００８．９．１７）
【出願人】（５９０００３８２５）北海道旅客鉄道株式会社 (94)
【出願人】（３０３０２５６６３）株式会社日立ニコトランスミッション (25)
【Ｆターム（参考）】
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